Riassunto esame Scienza e tecnologia dei materiali, Prof. Romano Rosa, libro consigliato Materiali per il design, Barbara del Curto

Valori di tenacità a frattura

ICI valori di tenacità a frattura possono essere usati nella progettazione meccanica per predire le dimensioni ammissibili dei difetti nelle leghe con ridotta duttilità in presenza di condizioni note di sollecitazione.

Materiali ceramici

Prova a compressione: nella parte centrale della barra viene applicato un carico, si ha una deformazione lungo il verso della forza applicata.

• Nella parte superiore vi è una compressione
• Nella parte inferiore vi è una trazione

Ceramici (tenacità a frattura):

I processi di lavorazione e movimentazione dei ceramici e dei vetri rendono inevitabili le cricche. Un carico di compressione tende a chiudere, non ad aprire, le cricche.

Durezza: Misura della resistenza del materiale ad una deformazione plastica (localizzata). Prova non distruttiva applicato su una piccola porzione di materiale. Il risultato della prova viene correlato con lo sforzo a frattura del materiale. Per determinare la durezza si usa un penetratore (fatto di un...

Il materiale molto più duro del materiale da testare. Dall'area o l'impronta del penetratore sulla superficie del materiale se ne determina la durezza. Le prove di durezza sono di diversi tipi: 1. Brinell 2. Vickers 3. Knoop 4. Rockwell (scala M o R) 5. Shore A o D: per materiali termoplastici/termoindurenti o materiali più cedevoli come gli elastomeri. I risultati ottenuti seguendo le diverse procedure non possono essere confrontati. La durezza di Brinell (UNI 560-75): La prova di Brinell consiste nel far penetrare una sfera di acciaio molto duro di diametro "D" mediante applicazione di un carico "F", e nel misurare il diametro "d" dell'impronta lasciata dal penetratore sulla superficie del pezzo, dopo avere tolto il penetratore. Durezza Shore (UNI EN ISO 868): È utilizzata per gli elastomeri e le plastiche morbide. Shore A Shore D

1. Scala A (da 0 a 100) - Usata per le gomme più tenere - Carico: 1 kg - Penetratore: tronco di cono
2. Scala D (da 0 a 100) - Usata per le gomme più dure - Carico: 5 kg - Penetratore: cono

Il penetratore è compresso nel provino e la lettura è fatta con il penetratore premuto dopo un tempo fissato (di solito 15 s).

La durezza e la SCALA DI MOHS

La durezza è una misura che indica la resistenza ad essere scalato. Nella scala di Mohs, composta da dieci minerali; ogni elemento scala i precedenti e viene scalato dai successivi:

1. TENERI (si scalano con l'unghia)
   • 1 Talco
   • 2 Gesso
2. SEMI DURI (si rigano con una punta d'acciaio)
   • 3 Calcite
   • 4 Fluorite
   • 5 Apatite
3. DURI (non si rigano con la punta di acciaio)
   • 6 Ortoclasio
   • 7 Quarzo
   • 8 Topazio
   • 9 Corindone
   • 10 Diamante

I materiali metallici vengono elaborati con Nomogrammi (confronto tra scale di durezza).

La fatica

Rottura in seguito a sollecitazioni inferiori al valore di resistenza a trazione e, in alcuni casi, al...

Carico di snervamento. Materiale sottoposto a sollecitazioni cicliche, che quindisi succedono nel tempo e che possono portare a uno stress del materiale. Degrado della resistenza meccanica subito da un materiale quando è sottoposto a sforzo ciclico. Rottura in seguito a sollecitazioni inferiori al valore di resistenza a trazione e, in alcuni casi al carico di snervamento. Rottura a fatica: costituisce la causa principale di rottura di componenti in esercizio: in campo meccanico si ritiene che più dell'80% di tutte le rotture che si verificano siano dovute a fatica. I test a fatica studiano il comportamento meccanico di materiali soggetti a cicli di carico al di sotto del limite di rottura. Resistenza a fatica: livello di carico a cui il materiale cede ad un determinato numero di cicli. La fatica è la causa più importante di cedimento nei metalli. LIMITE DI FATICA, L'acciaio e i materiali polimerici presentano il cosiddetto sforzo al di sotto del quale non si

veri ca rottura per fatica.

• Per un acciaio il limite di resistenza a fatica per N=∞ (Limite di fatica) si ottiene al 40-50% della resistenza a trazione;
• semicristallini,Per i materiali polimerici il valore scende al 25-30% per i materiali gliamor non presentano limite di fatica.

Prove di resistenza a fatica:

• Prova a essione rotante: il campione viene posto in rotazione e soggetto ad una forza perpendicolare all'asse di rotazione che, a seguito della rotazione del provino, genera sul materiale sforzi alternati di trazione e compressione.

Misure di resistenza a fatica:

Lo sforzo applicato può essere di tipo assiale (trazione-compressione), di essione o di torsione.

Sono possibili diversi modi di uttuazione sforzo-tempo ciclo alternato simmetrico

Sforzo massimo e minimo hanno la stessa altezza/intensità

Prove di resistenza a fatica

I risultati delle varie prove vengono riportati in diagrammi σ-N (numero di cicli per i quali avviene la

rottura).

G = limite di fatica

Massimo valore del carico al di sotto del quale il campione non arriva a frattura per fatica indipendentemente dal numero di cicli.

Limite di fatica del materiale —> massimo valore, sigma al di sotto del quale il campione non arriverà mai a rottura.

Al di sotto della linea rossa posso applicare cicli in niti, non si romperà mai.

Per molti acciai il limite di fatica cade nell'intervallo 30-50% della resistenza a trazione.

Per le leghe non ferrose non c'è un limite di nito.

fi fi

Processo di rottura a fatica

Il processo di rottura a fatica comprende più stadi:

1. innesco di una o più microcricche: formazione di una prima cricca superficiale dovuta a tensioni locali;
2. propagazione delle cricche che fungono da concentratori di tensione;
3. rottura di schianto della sezione residua (frattura fragile)

QUINDI: perdita di resistenza creata dal danno microstrutturale generato durante il carico ciclico.

Fattori che influenzano la

resistenza a fatica: la condizione superficiale, la temperatura di esercizio. Fallimento dei componenti in esercizio Uno degli aspetti importanti e pratici della selezione dei materiali nella progettazione, sviluppo e produzione di nuovi componenti è la possibilità del fallimento del componente in esercizio, definito come l'incapacità di un materiale/componente di: 1. eseguire una determinata funzione; 2. garantire i criteri di prestazione; 3. lavorare in sicurezza e affidabilità. D'altra parte è molto importante conoscere le tipologie di frattura dei materiali in modo tale da essere in grado di estrapolare informazioni dal fallimento di un componente e determinare le cause di collasso. SCORRIMENTO VISCOSO o CREEP Per effetto di un carico applicato costante, il materiale può continuare a deformarsi anche per tempi molto lunghi. Il comportamento è più accentuato alle alte temperature (per i metalli a T>0.4Tf, dove Tf è la temperatura di fusione)

T>0.4-0.5Tf per iceramici, per i polimeri a tutte le temperature)

Il fenomeno di creep è legato a fenomeni di scorrimento nei metalli e di deformazione viscosa nei polimeri.

Nelle prove di creep si applica uno sforzo costante al provino e se ne misura la deformazione nel tempo.

Aumentando la deformazione, si misura la diminuzione di modulo elastico. È un fenomeno per il quale il materiale cede per meccanismi che si innescano in tempi lunghi e/o a causa di elevate temperature.

Meccanismi responsabili del creep:

• Scorrimento delle catene polimeriche
• Moto di dislocazioni (metalli e materiali ceramici) che possono anche modificare il loro piano di scorrimento e quindi superare ostacoli grazie ai meccanismi di diffusione possibili a queste temperature.
• Scorrimento dei bordi di grano (in cui la concentrazione di vacanze è elevata): materiali a grana grossa o monocristalli sono quindi maggiormente resistenti al creep.
• Rammollimento della fase vetrosa che va quindi minimizzata se possibile.

si vuole aumentare la resistenza al creep (materiali refrattari). BORDI GRANO (DIFETTI PLANARI) Grani cristallini: zone con stessa composizione ma orientazione diversa. Minore è la dimensione di grano, maggiori sono i bordi di grano. Maggiori bordi di grano significano maggiore resistenza allo scorrimento (la deformazione plastica è dovuta allo scorrimento). Più grani significano proprietà meccaniche più uniformi. DIFETTI PUNTUALI - La vacanza: è formata dall'assenza di un atomo. La vacanza si forma (una su 10000 atomi) durante la cristallizzazione o la mobilità degli atomi. - Interstiziale: gli atomi in un cristallo, talvolta, occupano un sito interstiziale. Questo difetto determina una distorsione strutturale. - Sostituzionale (grande o piccolo): sostituzione dell'atomo del cristallino con un atomo di un elemento chimico diverso. DIFETTI LINEARI: DISLOCAZIONI Presenza di difetti di linea o dislocazioni.

La deformazione plastica dei solidi cristallini è dovuta alle dislocazioni. La resistenza meccanica di un materiale dipende dalla forza che bisogna applicare per mettere in movimento le dislocazioni e non dall'energia di legame. Maggiore è il numero di dislocazioni presenti nel reticolo, maggiori sono le possibilità di scorrimento e di deformazione.

Curve di creep:

Inizialmente il materiale subisce un'immediata estensione elastica, ε (maggiore alle alte temperature a causa del basso modulo elastico), per poi deformarsi plasticamente. Lo stadio primario è caratterizzato da una velocità di deformazione decrescente. Lo stadio secondario è caratterizzato da una velocità di deformazione costante (creep stazionario) per accelerare bruscamente nel creep terziario che porta alla rottura del pezzo.

Metalli e Ceramici:

Polimeri:

Tipica curva di creep in cui la deformazione aumenta gradualmente T >

0.3-0.4 T T T con il tempo dopo l'applicazione del carico elastico iniziale. ≥f gE etto dello sforzo e della temperatura —> All'aumentare della temperatura o dello sforzo applicato:

• la deformazione elastica iniziale, ε, aumenta;
• la velocità di deformazione dello stadio secondario, ε, aumenta;
• il tempo a rottura, t, diminuisce.

Prove di creep: II comportamento di un materiale viene determinato con l'applicazione di un carico monoassiale su provini ri